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物理学前沿

陕西师范大学2014~2015学年第一学期期末考试物理学院2012级教育硕士物理学前沿试题答卷注意事项:1、学生必须用蓝色(或黑色)钢笔、圆珠笔或签字笔直接在答题纸上答题。

2、答卷前请将密封线内的项目填写清楚。

3、字迹要清楚、工整,不宜过大,以防试卷不够使用。

4、本卷共4大题,总分为100分。

1.理论物理部分 ( 共5题,每题5分,共25分)1.混沌现象的主要特征是什么对于什么是混沌,目前科学上还没有确切的定义,但随着研究的深入,混沌的一系列特点和本质的被揭示,对混沌完整的、具有实质性意义的确切定义将会产生。

目前人们把混沌看成是一种无周期的有序。

它包括如下特征:(1)内在随机性。

它虽然貌似噪声,但不同于噪声,系统是由完全确定的方程描述的,无需附加任何随机因数,但系统仍会表现出类似随机性的行为; (2)分形性质。

前面提到的lorenz 吸引子,Henon 吸引子都具有分形的结构;(3)标度不变性。

是一种无周期的有序。

在由分岔导致混沌的过程中,还遵从Feigenbaum常数系。

(4)敏感依赖性。

只要初始条件稍有偏差或微小的扰动,则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。

因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的2.分形结构的特点是什么请举例说明。

特点是无定形,不光滑,具有自相似性。

如弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉,粗糙不堪的断面,变幻无常的浮云,九曲回肠的河流,纵横交错的血管,令人眼花缭乱的满天繁星等。

它们的特点都是,极不规则或极不光滑。

即每一元素都反映和含有整个系统的性质和信息,从而可以通过部分来印象整体。

3.分析小世界网络、无标度网络和随机网络三者之间的相同点和不同点。

共同点:都是用特征路径长度和聚合系数来衡量网络特征。

不同点:在网络理论中,小世界网络是一类特殊的复杂网络结构,在这种网络中大部份的节点彼此并不相连,但绝大部份节点之间经过少数几步就可到达。

规则网络具有很高的聚合系数,大世界(largeworld,意思是特征路径长度很大),其特征路径长度随着n(网络中节点的数量)线性增长,而随机网络聚合系数很小,小世界(smallworld,意思是特征路径长度小),其特征路径长度随着log(n)增长中说明,在从规则网络向随机网络转换的过程中,实际上特征路径长度和聚合系数都会下降,到变成随机网络的时候,减少到最少。

无标度网络具有严重的异质性,其各节点之间的连接状况(度数)具有严重的不均匀分布性:网络中少数称之为Hub点的节点拥有极其多的连接,而大多数节点只有很少量的连接。

少数Hub点对无标度网络的运行起着主导的作用。

从广义上说,无标度网络的无标度性是描述大量复杂系统整体上严重不均匀分布的一种内在性质。

随机网络,任意两个点之间的特征路径长度短,但聚合系数低。

而小世界网络,点之间特征路径长度小,接近随机网络,而聚合系数依旧相当高,接近规则网络。

发现规则网络具有很高的聚合系数,大世界(large world,意思是特征路径长度很大),其特征路径长度随着n(网络中节点的数量)线性增长,而随机网络聚合系数很小,小世界(small world,意思是特征路径长度小),其特征路径长度随着log(n)增长中说明,在从规则网络向随机网络转换的过程中,实际上特征路径长度和聚合系数都会下降,到变成随机网络的时候,减少到最少。

4.从自组织临界态的角度来看,地震的物理原理是什么所谓“自组织”是指该状态的形成主要是由系统内部组织间的相互作用产生,而不是由任何外界因素控制或主导所致。

所谓“临界态”是指系统处于一种特殊敏感状态,微小的局部变化可以不断放大、扩延至整个系统。

也就是说,系统在临界态时,其所有组份的行为都相互关联。

地震有很多种类,而根据自组织临界态的定义来看,构造地震是可以用自组织临界态来解释的,构造地震是由于岩层断裂,慢慢的发生变位错动,从而在地质构造上发生巨大变化而产生的地震,也叫断裂地震。

由于断层带的地壳是有规则的移动,地壳外部是硬的,而内部是一个流动的层,内部流动的层会推挤外部并使其变形,导致能量积累,当地下的能量积累到必须使地壳发生移动时,就会导致板块断裂,从而释放出能量,然而这种地震是有周期的。

而绝不是所有的运动都是有规则的,规则之外的运动,就促生偶然的地震,偶然的地震往往能量巨大,瞬时引发,并不是周期内。

5.讨论存在外磁场时的铁磁相变过程,Gibbs 自由能为240011(,)()()24C G T M G T a T T M bM HM =+-+-。

Landau 引入序参量,G=G(T,p,η),通过η的取值,使得G-T 图像在,0c T T η>=,表示无序;,0c T T η<≠,表示一种有序态。

无序到有序,称为对称性破缺,或对称性降低。

G 在η=0附近展开24011(T,)G (T)(T,p)(T,p)24G a b ηηη=+++……,平衡时G 取极值3(T,p)b(T,p)0G a ηηη∂=+=∂,两个根0,ηη==定,需要判断二阶导数222a(T,p)2b(T,p)G ηη∂=+∂,如果a>0则2020G ηη=∂>∂,G 对应极小值,相稳定,如果,a<0,则2020Gηη=∂<∂,G 对应极大值,相不稳定。

a=0,对应相变,一般设a(T,p)a(T T )C =-,应用于铁磁相变,序参量选M ,Gibbs 自由能为'2400,,11(T,M)G (T )(T )M b 24m c m m G a T M =+-+,铁磁属于二级相变,一阶偏导数连续,得自发磁化强度随温度变化0,2c,(T T )m s m ma Mb =--,磁场:30,m ,a (T T )M c m m GH b M M∂==-+∂,磁导率20,m ,0,m 1(T T )3b c m m H a M M χ∂==-+∂,,c m T 为居里温度2.光学部分( 共5题,每题5分,共25分)6.请阐述全息学的基本原理以及 x射线全息学具有哪些诱人的前景全息,又称全息投影,是一种记录被摄物体反射(或透射)光波中全部信息(振幅、相位)的照相技术,而物体反射或者透射的光线可以通过记录胶片完全重建,其位置和大小同之前一模一样。

通过不同的方位和角度观察照片,可以看到被拍摄的物体的不同角度,因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。

基本原理:其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息,此即拍摄过程:被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束(图A);另一部分激光作为参考光束射到全息底片上,和物光束叠加产生干涉,把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度,从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。

记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后,便成为一张全息图,或称全息照片;其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息,这是成象过程:全息图犹如一个复杂的光全息术栅,在相干激光照射下,一张线性记录的正弦全息图的衍射光波一般可给出两个象,即原始象(又称初始象)和共轭象。

再现的图像立体感强,具有真实的视觉效应。

全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像,而且能互不干扰地分别显示出来。

x射线全息学的前景:可以被应用于医学领域进行诊断,治疗和防护,放射医学是医学的一个专门领域,它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像,这可能是X射线技术应用最广泛的地方。

X射线的用途主要是探测骨骼的病变,但对于探测软组织的病变也相当有用。

工业领域:X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光,故X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。

研究领域:晶体的点阵结构对X射线可产生显着的衍射作用,X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。

全息学以波动光学为基础,利用光的干涉和衍射原理,将物体发出的特定的波以干涉条纹的形式记录下来,并在一定的条件下使其重现。

全息学分为两步,波前记录和波前重现,波前记录是将物体光波与另一相干光波——参考光波干涉,用照相的方法将干涉条纹记录下来,获得全息图或者全息照片;波前重现是利用原纪录的参考光波或其他合适的光波照射全息图,光通过全息图发生衍射,甚至衍射光波会形成原物体逼真的立体像。

与普通照相技术相比它有如下几点基本特征,1)可以形成三维图像;2)全息照相可以进行多重记录,信息容量大;3)光学系统简单——原理上无需透镜成像,是一种无透镜成像方法;4)全息照片的重现可放大或者缩小。

全息图有多种类型,从记录时物体与全息图的相对位置来分类,可分为菲涅耳全息图和夫琅禾费全息图。

1971年诺贝尔物理学奖授予了伽博,以表彰他发明和发展了全息学——x射线全息学,尽管x射线无法利用透镜成像,但是原子的间距与x射线的波长同数量级,周期性排列的原子对入射的x射线散射的相互干涉,会产生衍射点阵;用相干光对这种衍射图样作第二次衍射,便可恢复晶格的像,这就是伽博x射线全息学两步成像法的由来。

未来世界,x射线全息学将在医学成像、生物、科研、统计计量、信息科技、文字图像、装饰、防伪、海洋科学、军事领域等有不可或缺的地位。

现在全息学技术已经逐步走向市场,如高聚物全息防伪标志、透明激光全息防伪膜等,其发展前景无限美好。

7.表面等离极化激元分哪两类,各有什么特点答:表面等离极化激元在传播方向上具有比光波大的传播波矢(更短的波长);与光的传播方向垂直的方向上是消逝场(限制光场)。

在分类上包括金属纳米线波导和金属—介质—金属波导。

金属纳米微粒链状结构所支持的SPP特性与计算得出的金属纳米圆柱体波导中的情况非常相似,对SPP场具有亚波长尺寸的强束缚性,传播距离仅仅为数百纳米。

SPP利用金属缝隙结构来实现波导,即(金属—介质—金属),利用两个界面的耦合,形成被限制在介质核心层中的缝隙SPP模式。

在缝隙宽度为50nm,激发光波长1550nm时,其典型传播距离约为10微米。

8.简要概述电磁诱导透明技术。

电磁诱导透明技术是指通过外加控制场与吸收介质相互作用,使得介质对探测场的吸收发生改变,透射率增加甚至完全透明,即某种介质强烈地吸收某一频率的探测场,而当再加一束能被介质吸收的控制场时,介质对探测场就不再吸收了。

这种现象就是电磁诱导透明技术。

起源于跃迁通道之间的干涉作用,当探测光与控制光满足双光子共振时,由于两条通道的跃迁几率反号而产生干涉相消。

电磁诱导透明技术在光速减慢,信息存储以及高效非线性相互作用过程等方面存在重要应用。

9.利用高次谐波辐射实现分子轨道成像的条件是什么高次谐波通常是逐次利用低阶的非线性电极化项而产生的。

利用高次谐波辐射实现分子轨道成像的条件:一是存在一个和待成像分子的电离能相近的参考原子;二是这个参考原子的再碰撞电子波包的谐振幅总是相似的,不依赖于这个分子的取向例如μ的基频波先由磷酸二氢钾倍频;再用磷酸二氘钾倍频而获得四次谐波——2661&Aring;的紫外光;最后再以高压气体氖进行五倍频得到532&Aring;的相干辐射,这相当于μ的基频波的20次高次谐波。

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